CC BY
27ВАРИАТИВНОСТЬ КАК ФАКТОР СТАБИЛИЗАЦИИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЯМИ В СТРЕЛЬБЕ ИЗ ЛУКА
УДК/UDC 799.322.2
I
|
Информация для связи с автором: moiseyev.s.a.vl@vlgafc.ru
Поступила в редакцию
Кандидат биологических наук С.А. Моисеев1
1 Великолукская государственная академия физической культуры и спорта, Великие Луки
VARIABILITY AS A FACTOR OF STABILIZATION OF MOTOR CONTROL SYSTEM IN ARCHERY
Ph.D. S.A. Moiseev1
1 Velikie Luki State Academy of Physical Culture and Sport, Velikie Luki
Аннотация
Изучение проблемы вариативности в функционировании различных биологических систем - одна из актуальных в области физиологии человека. Наиболее целесообразным является подход, в котором вариативность рассматривается не как случайный разброс в функционировании сенсомоторной системы, а как часть нелинейной динамической системы, где вариативность служит дополнительной информацией о ее состоянии, т.е. ее следует рассматривать как положительное явление, позволяющее системе адаптироваться к требованиям двигательной задачи. Изучали вариативность внешней и внутренней структуры двигательного акта - выстрела из лука и его отдельных фаз по фазовым, кинематическим и электромиографическим характеристикам. Была установлена существенно большая внутрииндиви-дуальная вариативность кинематических параметров движения в сравнении с электромиографическими. Длительность активности исследуемых скелетных мышц в разных их включениях варьировалась в широком диапазоне, отмечены средний и высокий уровни вариативности. С помощью факторного анализа по методу главных компонент были выявлены функционально связанные мышечные синергии, однако их оценка с позиции вариативности параметров биоэлектрической активности оказалась неоднозначной. Полученные в работе данные о величинах вариативности параметров внешней и внутренней структуры сложного точностного двигательного действия - выстрела из лука - расширяют представление о механизмах регуляции такого типа спортивных движений. Установлено, что факторный анализ по методу главных компонент может быть использован для выявления участвующих в движении мышечных синергий, вероятно, имеющих единый механизм управления на определенном уровне ЦНС.
Ключевые слова: вариативность, мышечные синергии, стрельба из лука, координация движений, управление движениями.
Annotation
Studying the problem of variability in the functioning of various biological systems is among the most pressing issues in human physiology. It is most appropriate to use the approach, in which variability is taken not as a random variation in the functioning of the sensorimotor system, as well as a part of a nonlinear dynamical system, where variation is more extra information about its condition, i.e., it should be taken as a positive phenomenon, which enables the system to adapt to the requirements of the motor task. The main method of measurement variability is mathematical-statistical one with the use of such indicators as range of variation, variance, standard deviation, coefficient of variation etc.
The variability of the external and internal structure of the motor act - bow shot and its individual phases based on phase, kinematic and electromyographic characteristics was studied. A considerably great intra-individual variability of kinematic characteristics of motion was set compared with electromyographic ones. The duration of the activity in the tested skeletal muscles widely varied at their different involvement. Average and high levels of variation were marked. Functionally related muscle synergies were identified by means of factor analysis using the principal components method, but their assessment with respect to variation of parameters of bioelectrical activity was ambiguous. The obtained in the work data on the values of the variation of the characteristics of the external and internal structure of the complex precision motor action - bow shot - extend the understanding of the mechanisms of regulation of this type of sports movements. It has been found that the factor analysis in compliance with the principal components method can be used to detect muscular synergies involved in movement, which may have a single mechanism of control on the certain level of the central nervous system.
Key words: variability, muscle synergies, archery, motor coordination, motion control.
Введение. Изучение проблемы вариативности в функционировании различных биологических систем - одна из наиболее актуальных в области физиологии человека. Среди разнообразия подходов к ее изучению, на наш взгляд, целесообразен тот, в котором вариативность рассматривается не как случайный разброс в функционировании сенсомоторной системы, а как часть нелинейной динамической системы, где вариативность служит дополнительной информацией о ее состоянии [3]. Иными словами, вариативность следует рассматривать как положительное явление, позволяющее системе адаптироваться к требованиям двигатель-
ной задачи. А. А. Шалманов дает следующее определение термину «вариативность» - это изменчивость биологических систем либо при многократном измерении состояния одной системы (внутрииндивидуальная вариативность), либо при сравнении состояний множества однотипных систем (вну-тригрупповая, межгрупповая) [2].
Основной способ измерения вариативности - математико-статистический подход, использующий такие показатели, как размах вариации, дисперсия, среднеквадратическое отклонение, коэффициент вариации и др. Однако эти величины - лишь мера отклонения измеренных значений от средне-
□
и
га у
г.
ч—
. О (и
■ -О
с
га
^
о (и .с Н
арифметического значения, а следовательно, могут указать только на степень сходства или различия между элементами системы. Очевидно, что при изучении сложнокоординацион-ных спортивных движений индивидуальные различия в технике их исполнения, а соответственно и различия в величинах параметров его структуры, могут оказаться значительными, особенно если объектом исследования являются спортсмены разной спортивной квалификации. В связи с этим при изучении таких движений целесообразно анализировать вну-трииндивидуальную вариативность, учитывающую различия между показателями одного испытуемого, многократно выполняющего стандартное движение.
Цель исследования - изучение внутригрупповой вариативности различных фаз сложнокоординационного двигательного действия на примере стрельбы из лука.
Методика и организация исследования. В исследованиях приняли участие 8 спортсменов высокой квалификации (МС и МСМК). Лучники выполняли 30 выстрелов с дистанции 18 м в крытом помещении из левосторонней стойки. Во время выполнения каждого выстрела регистрировали биоэлектрическую активность 12 скелетных мышц верхнего плечевого пояса с помощью 16-канального электромиографа МЕ 6000 (Финляндия), одновременно велась запись 3 Э-видеоряда с помощью аппаратно-программного комплекса Qualisys (Швеция). На основе анализа видеоряда выстрел из лука был разделен на следующие фазы: фазу принятия основной изготовки («расширение»), фазу выхода стрелы из-под кликера («дотяг»), фазу «завершения выстрела» - с момента освобождения тетивы от захвата до момента начала опускания лука.
Рассчитывали коэффициенты вариации параметров внешней и внутренней структуры изучаемого элемента техники: амплитуды турнов ЭМГ; количества включений мышц в работу (единицей включения считалось достижение амплитуды ЭМГ не менее 100 мкВ продолжительностью не менее 0,1 с); длительности электроактивности мышц в отдельных включениях; длины траектории, скорости и ускорения антропометрических точек сегментов тела; величины изменения суставных углов (разница между начальной и конечной величиной суставного угла); времени каждой отдельной фазы выстрела из лука. Коэффициенты вариации до 30 % оценивали как низкие, от 31 до 60 % - как средние, более 61 % - как высокие. Анализировали величины среднего арифметического и среднеквадратического отклонений для исключения в вариационных рядах значений, связанных с погрешностями измерений (случайная вариативность).
Результаты исследования и их обсуждение. Результаты исследования показали низкие коэффициенты вариации амплитуды ЭМГ в фазе «расширения»: так, у испытуемых они варьировались в диапазоне от 4 до 21 %. Наибольшие значения были зарегистрированы в передних пучках дельтовидной мышцы левой руки - до 21%. В меньшей степени вариативной оказалась амплитуда лучевого сгибателя и локтевого разгибателя кисти левой руки, где у отдельных испытуемых она не превышала 4 %. В фазе «дотяга» коэффициенты вариативности оказались несколько выше, чем в фазе «расширения», здесь их диапазон составил 4-23 %. В фазе «завершения выстрела» наблюдалась аналогичная картина: отмечена низкая вариативность, не превышающая 29 %. В целом по изучаемым фазам выстрела вариативность оценивается как низкая.
Анализируя количество включений и длительность их электроактивности, можно отметить большой разброс коэффициентов вариативности, причем в некоторых исследуемых мышцах, которые «включались» и «выключались» в определенной фазе движения несколько раз (до 5 и более), у от-
дельных испытуемых не было зарегистрировано пороговой активности. Например, задняя головка дельтовидной мышцы правой руки в фазе «расширения» включалась только у четырех испытуемых, коэффициенты их вариативности составили 17, 48, 49, 18 %, а длительность электроактивности варьировалась в пределах 22-99 %. Нижняя часть трапециевидной мышцы правой стороны «включалась» у шести испытуемых из восьми: 48, 31, 18, 41, 38, 18 % соответственно, а вариативность параметра составляла 20-90 %. В целом длительность активности скелетных мышц в разных «включениях» и фазах движения регистрировалась в широком диапазоне, отмечены средний и высокий уровни вариативности.
Коэффициенты вариации длины траектории антропометрических точек у большинства исследуемых спортсменов в фазе «расширения» были низкими, в большей степени выраженными для шейной антропометрической точки - 6-33 %. В других антропометрических точках она составила от 2 до 16 %, отмечены единичные случаи высокой вариативности - до 74 %. По этому параметру в фазе «дотя-га» наблюдалась значительно большая вариативность, здесь коэффициенты вариативности составили 24-63 %, в редких случаях вариация была более высокой - до 98 %.
Изучение величин изменений суставных углов показало большую вариативность в фазе «дотяга» и «завершения выстрела» по сравнению с началом выстрела, причем в фазе «расширения» отмечены значительно большие величины для локтевого сустава левой руки. Длительность изучаемых фаз движения варьировалась в широком диапазоне: так, в фазе «расширения» коэффициенты вариации составили от 5 до 13 %, в фазе «дотяга» - 19-49 %, при завершении выстрела - 7-30 %.
Чтобы приблизиться к пониманию феномена вариативности, необходимо выяснить, какие механизмы обеспечивают внешние и внутренние паттерны сложнокоординационных двигательных действий. Согласно теории Н. А. Бернштейна все движения человека управляются различными уровнями ЦНС (уровнями построения движения), имеющими иерархическую структуру [1]. Для каждого уровня характерна определенная степень допущения вариаций в отдельных сторонах и компонентах движения. Например, для сенсорных коррекций уровня пространственного поля (пирамидно-стриальный уровень) характерна большая вариативность, возможность целого ряда эквивалентных способов достижения результата. В частности Н. А. Бернштейн относил процесс прицеливания, как самостоятельное движение, к данному уровню. Рассматривая фазу «дотяга», в которой и осуществляется процесс прицеливания, мы наблюдаем высокую вариативность показателей как внешней, так и внутренней структуры движения. Кроме того, одним из основных свойств уровня пространственного поля является его объективность, т. е. привязка к условиям окружающего мира, во многом обеспечиваемая активным участием зрительного и звукового анализаторов. В данном случае речь идет о зрительном контроле за движениями в процессе совмещения прицела и мишени, а также реакция стрелка на щелчок срабатывания кликера.
Характерной чертой любого уровня построения движения является возможность больших вариаций в отношении менее важных для него сторон и компонентов движения, и низкой вариативности тех, которые имеют для данного уровня первостепенное значение. Исходя из этого в выстреле из лука важны величины электроактивности мышц (усилие, развиваемое в той или иной фазе движения), где нами были зарегистрированы низкие значения вариативности, и менее существенными составляющими внутренней структуры движения - контроль за соблюдением определенного порядка, количества включений и выключений мышц, а также продол-
18
http://www.teoriya.ru
№ 6 • 2015 Июнь | _1ипе
жительности их электроактивности. Нами был зарегистрирован очень большой диапазон коэффициентов вариации по этим параметрам для всех участвующих в движении скелетных мышц.
Обращает на себя внимание тот факт, что в фазе «расширения» вариативность кинематических параметров лучевой и шиловидной антропометрических точек левой и правой руки, а также углов, образуемых ими, в большинстве случаев значительно меньше, чем в других. Вероятно, это связано с тем, что вариативность убывает пропорционально увеличению скорости и массы звена, движущегося по траектории движения. В быстрых движениях все степени свободы связываются реактивными силами, кроме одной, присущей определенной структуре движения. Поскольку внешние силы недоступны для внутренних коррекций, они практически оказываются освобожденными от управления, а сенсорные коррекции уменьшаются пропорционально увеличению скорости движения. В фазе «дотяга» движения лучника существенно медленнее, а траектории короче, и в связи с этим вариативность кинематических параметров оказывается выше, чем в тех фазах, где движения лучника более скоростные.
Вариативность параметров движения в определенной степени связана с процессом формирования и совершенствования двигательного навыка. В таком процессе очень велика роль мышечных синергий, организованных на таламо-паллидарном уровне [3]. Именно способность вести высокослаженные движения всего тела, вовлекающие в согласованную работу многие десятки мышц, присуща его движениям.
Для выявления мышечных синергий в структуре изучаемого нами движения был проведен факторный анализ (по методу главных компонент) с использованием пакета Б1айзйса 10. Было установлено, что взаимосвязи между исследуемыми скелетными мышцами, с учетом деления движения на фазы, образуют 3 фактора. Первый фактор включает лучевой сгибатель кисти правой руки и заднюю головку дельтовидной мышцы правой руки. Эти мышцы имеют сильную взаимосвязь в фазе «расширения» и «дотяга». Кроме того, они взаимодействуют с нижней частью трапециевидной мышцы правой стороны туловища в фазе «завершения выстрела» и с трехглавой мышцей плеча правой руки в фазе «расширения». Второй фактор включает лучевой сгибатель кисти левой руки, трехглавую мышцу плеча левой руки и верхнюю часть трапециевидной мышцы левой и правой стороны. Эти мышцы актив-
но взаимодействуют во всех изучаемых фазах движения. Наконец, третий фактор образуют взаимосвязи локтевого разгибателя кисти левой руки и передних пучков ее дельтовидной мышцы. Мышцы, имеющие высокую взаимосвязь внутри одного из факторов, не взаимодействуют между собой вне данного фактора.
Рассмотрение вариативности величин амплитуды электроактивности выявленных мышечных синергий не обнаружило каких-либо различий в сравнении с другими мышцами, не входящими в ту или иную синергию. Вариативность этого показателя у большинства испытуемых была низкой во всех исследуемых фазах движения. Количество включений и длительность электроактивности мышц, образующих синергию, только у отдельных испытуемых варьировались в меньшей степени, чем мышцы, не входящие в нее. Таким образом, с помощью факторного анализа можно выявлять функционально связанные мышечные структуры (синергии), задействованные в реализации целостного движения или его отдельных фаз, вероятно, имеющих единый механизм управления на определенном уровне ЦНС, но их оценка с позиции вариативности параметров биоэлектрической активности не вполне ясна.
Вывод. Полученные в работе величины вариативности параметров внешней и внутренней структур сложного точностного двигательного действия - выстрела из лука - расширяют представление о механизмах регуляции такого рода спортивных движений. Показана возможность определения мышечных синергий, участвующих в движении, с применением факторного анализа по методу главных компонент.
Литература
1. Бернштейн Н.А. Физиология движений и активность / под ред. О. Г. Газенко; АН СССР. - М.: Наука, 1990. - 494 с.
2. Шалманов А.А. Исследование вариативности спортивной техники (на примере толкания ядра): автореф. дис... канд. пед. наук / А.А. Шалманов. - М., 1977. - 24 с.
References
1. Bernstein, N.A. Fiziologiya dvizheniy i aktivnost' (Physiology of movements and activity) / Ed. by O.G. Gazenko; USSR Academy of Sciences. - Moscow: Nauka, 1990. - 494 P.
2. Shalmanov, A.A. Issledovanie variativnosti sportivnoy tekhniki (na primere tolkaniya yadra): avtoref. dis. kand. ped. nauk (Study of variation of sports technique (case study of shot put): abstract of Ph.D. thesis) / A.A. Shalmanov. - Moscow, 1977. - 24 P.
3. Latash, M.L. Variability of fast single-joint movements and equilibrium-point hypothesis // K.M. Newell, D.M. Corcos. - Human kinetics publishers, 1993. - P. 157-182.
НОВЫЕ КНИГИ
Ланская О.В., Андриянова Е.Ю. Физиологические механизмы функциональной пластичности спинальных систем двигательного контроля при занятиях спортом: монография. - Великие Луки, 2013. - 268 с.
Монография обобщает результаты исследований авторов по вопросу функциональной пластичности спинномозговых цепей человека, имеющей место в результате долговременной спортивной деятельности различной направленности. Основной экспериментальный материал получен посредством применения электрической стимуляции на нервные корешки спинного мозга на уровнях шейного и пояснично-крестцового утолщений спинного мозга с одновременной регистрацией рефлекторных двигательных ответов с мышц верхних и нижних конечностей. Книга также включает сведения о влиянии хронической травматизации коленного су-
става у спортсменов на состояние спинальных двигательных центров, иннервирующих мышцы нижних конечностей.
Полученные авторами в результате исследований данные дополнены сведениями из литературы, раскрывающими возможные механизмы пластичности элементов центральной нервной и нервно-мышечной систем при различных функциональных состояниях.
Книга предназначена для нейрофизиологов, специалистов по общей и спортивной физиологии, спортивных врачей, а также для интересующихся вопросами регуляции и нарушения движений. Материалы монографии могут использоваться в учебном процессе при изучении учебных дисциплин «Теория и технологии медико-биологических измерений в спорте» и «Медико-биологические основы подготовки спортсменов» магистрами по направлению 034500.68 - «Спорт» (49.04.03 «Спорт»).
